Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung betrifft Reifen mit Laufflächen, die aus
ausgewählten Kautschukmischungen zusammengesetzt sind. Die
Erfindung betrifft ferner Reifen, die Laufflächen mit einer
Ausgewogenheit von viskoelastischen Eigenschaften aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
-
Gummiluftreifen für Personen- und Lastkraftwagen sind aus Elementen
zusammengesetzt, die herkömmlicherweise eine Lauffläche aus einer
Kautschukzusammensetzung einschließen. Der Laufflächenkautschuk
ist manchmal wünschenswerterweise so compoundiert, daß er einen
Reifen mit einem relativ geringen Rollwiderstand mit vernünftiger
Abnutzung und Bodenhaftung liefert.
-
Die viskoelastischen Eigenschaften des Laufflächenkautschuks selbst
sind wichtig und im Grunde entscheidende Gesichtspunkte für sein
Verhalten, insbesondere für Rollwiderstand und Griffigkeit des
Reifens.
-
Obwohl es vielleicht gewünscht wird, die Laufflächenzusammensetzung
des Reifens so zu compoundieren, daß der Rollwiderstand des Reifens
reduziert wird, ohne die Bodenhaftungsmerkmale des Reifens
wesentlich zu verschlechtern, könnte man erwarten, daß die
Bodenhaftung des Reifens etwas geopfert wird, wie durch ihre
Reduzierung in der Griffigkeit bei nasser und trockener Fahrbahn
belegt werden kann.
-
Reifenlaufflächen werden zur Erzielung wünschenswerter
Reifenlaufflächen-Eigenschaften, wie Haltbarkeit, Bodenhaftung und
Reduzierung im Rollwiderstand, oft aus synthetischem Kautschuk oder
Mischungen von synthetischem Kautschuk mit Naturkautschuk
zusammengesetzt. Verschiedene synthetische Kautschuke sind in der
Herstellung von Reifen mit derartigen Laufflächen verwendet worden,
einschließlich Styrol/Butadien-Copolymeren (hergestellt durch
Emulsions- oder Lösungspolymerisationsverfahren), manchmal als SBR
bezeichnet, Polybutadienkautschuk mit hohem cis-1,4-Gehalt sowie
(1,2)-Polybutadienkautschuken mit mittlerem und hohem Vinylgehalt.
-
Gelegentlich wurde der Naturkautschuk in Reifenlaufflächen-
Zusammensetzungen zumindest teilweise durch ein synthetisches cis-
1,4-Polyisopren ersetzt.
-
Obwohl gelehrt wird, daß derartige Kautschukzusammensetzungen
verschiedene Vorteile bieten, einige für Reifenlaufflächen, bleibt
es weiterhin wünschenswert, einen Luftreifen mit einer
Gummilauffläche bereitzustellen, die einen verbesserten
Rollwiderstand und/oder eine verbesserte Laufflächenabnutzung bei
entsprechend vernünftigen Bodenhaftungseigenschaften aufweist.
-
Die viskoelastischen Eigenschaften des Kautschuks oder der
Kautschukmischung selbst sind wichtig. Für niedrigen Rollwiderstand
des Reifens ist eine tan.delta-Optimierung für eine Temperatur im
Bereich von etwa 40ºC bis etwa 60ºC gewünscht, wohingegen für gute
Griffigkeit eine tan.delta-Optimierung für einen Temperaturbereich
von etwa -10ºC bis etwa 20ºC gewünscht ist. Es ist schwierig, eine
Kautschukmischung für eine tan.delta-Optimierung im wesentlichen
gleichzeitig für beide Temperaturbereiche und somit sowohl für
Rollwiderstand als auch Griffigkeit einzustellen.
-
US-Patent Nr. 4 894 420 offenbart in einem Aspekt einen Reifen mit
einer Lauffläche, die aus (A) 30 bis 90 Teilen cis-1,4-
Polyisoprenkautschuk; (B) 5 bis 20 Teilen Isopren/Acrylnitril-
und/oder Butadien/Acrylnitril-Copolymer-Kautschuk; und (C) 0 bis
35 Teilen anderem Kautschuk, der cis-1,4-Polybutadienkautschuk sein
kann, zusammengesetzt ist. Es wird gelehrt, daß die Griffigkeit
ohne Opfer beim Rollwiderstand verbessert wird.
Darlegung und Praxis der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Luftreifen mit einer
äußeren umlaufenden Lauffläche bereitgestellt, bei dem die
Lauffläche eine mit Schwefel vulkanisierte Kautschukzusammensetzung
ist, die, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschuk (TPH), (A) 50 bis
70, vorzugsweise etwa 55 bis etwa 70, Gewichtsteile cis-1,4-
Polybutadienkautschuk; (B) 10 bis 30, vorzugsweise etwa 15 bis etwa
30, Gewichtsteile mindestens eines synthetischen Kautschuks,
ausgewählt aus mindestens einem von Isopren/Acrylnitril-Copolymer
und Butadien/Acrylnitril-Copolymer, das 20 bis 40 Molprozent
Einheiten, die von Acrylnitril abgeleitet sind, und 60 bis 80
Molprozent Einheiten, die von Isopren oder Butadien abgeleitet
sind, umfaßt, bei dem die Glasübergangstemperatur des Kautschuks
-40ºC bis -5ºC beträgt; und (C) 15 bis 35 Gewichtsprozent cis-
1,4-Polyisoprenkautschuk umfaßt.
-
Der Begriff "TpH" bezieht sich auf Gewichtsteile eines jeweiligen
Materials Pro 100 Gewichtsteile Kautschuk.
-
Vorzugsweise ist das Copolymer (B) ein durch
Emulsionscopolymerisation hergestelltes statistisches Copolymer.
-
Auffallenderweise ist ein größerer Teil der Kautschukkomponente der
Lauffläche cis-1,4-Polybutadien. Dies ist wichtig, um die
Reifenlaufflächen-Abriebeigenschaften (Laufflächenabnutzung) zu
verbessern.
-
In der Beschreibung dieser Erfindung soll der Begriff cis-1,4-
Polyisoprenkautschuk sowohl Naturkautschuk als auch synthetischen
Kautschuk einschließen. Oft wird der Naturkautschuk bevorzugt. Der
natürliche oder synthetische cis-1,4-Polyisoprenkautschuk hab
typischerweise einen cis-1,4-Gehalt von etwa 96 bis etwa 99
Gewichtsprozent.
-
Als Isopren/Acrylnitril- und/oder Butadien/Acrylnitril-Kautschuk-
Komponente der Zusammensetzung wird der Isopren/Acrylnitril-
Kautschuk bevorzugt. Jedoch sind dem Fachmann beide Kautschuke gut
bekannt.
-
Der cis-1,4-Polybutadienkautschuk kann aus 95% oder mehr cis-1,4-
Struktur zusammengesetzt sein, wenn er mit einem Katalysator vom
Ziegler-Typ hergestellt wurde, oder kann aus mindestens 90% cis-
und trans-1,4-Struktur zusammengesetzt sein, wenn er mit
Alkyllithium-Katalysator hergestellt wurde. Beide Arten von Kautschuken
sind gut bekannt.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, insbesondere für
Reifen, die bei einigermaßen herkömmlichen Belastungen und
Geschwindigkeiten verwendet werden sollen, wie PKW-Reifen oder
Kleinlaster-Reifen, obwohl die Ausführungsform nicht
notwendigerweise auf eine derartige Verwendung beschränkt ist, ist
ein Luftreifen, der mit einer solchen Lauffläche versehen ist, bei
der die Lauffläche eine mit Schwefel vulkanisierte
Kautschukzusammensetzung ist, die, bezogen auf 100 Gewichtsteile
Kautschuk (TpH), (A) 55 bis 70 TpH cis-1,4-Polybutadienkautschuk;
(B) 15 bis 30 TpH des besagten Isopren/Acrylnitril-Kautschuks; und
(C) 15 bis 35 TpH Naturkautschuk umfaßt.
-
Die Luftreifen umfassen herkömmlicherweise eine im allgemeinen
ringförmige Karkasse mit einer außen umlaufenden Lauffläche, die
so angepaßt ist, daß sie Boden-berührend ist, mit Zwischenraum
angeordnete Wulste und Seitenwände, die sich radial von der
Lauffläche erstrecken und diese mit den Wulsten verbinden.
-
Die hierin verwendeten Kautschuke, insbesondere jene im höheren
ML-4 (Mooney)-Viskositätsbereich, können zur leichteren
Verarbeitung gegebenenfalls vor oder während des Mischens mit
verschiedenen Kautschuk-Compoundiermaterialien einzeln ölgestreckt
werden. Wenn eine Ölstreckung eingesetzt wird, werden üblicherweise
etwa 10 bis etwa 50 TpH Kautschuk-Weichmacheröl verwendet,
üblicherweise vom aromatischen oder aromatisch/paraffinischen Öl-
Typ, um für die unvulkanisierte Kautschukzusammensetzung eine ML-
4 (100ºC)-Viskosität von etwa 40 bis 100, vorzugsweise etwa 60 bis
etwa 90, zu liefern.
-
Es sollte dem Fachmann ohne weiteres klar sein, daß der
Laufflächen-Teil des Luftreifens ebenso wie der Kautschuk oder
anderes Material im Reifenunterbau, der normalerweise im
Laufflächenbereich Verstärkungselemente enthält, mit auf dem Gebiet
der Kautschuk-Compoundierung allgemein bekannten Verfahren
compoundiert werden kann, wie z.B. Mischen der verschiedenen
Kautschukbestandteile mit verschiedenen Materialien, wie
beispielsweise Vulkanisierhilfsmitteln wie Schwefel und
Beschleunigern, Verarbeitungszusätzen wie Ölen, Harzen,
Kieselsäuren und Weichmachern, Füllstoffen, Pigmenten,
Antioxidantien und Ozonschutzmitteln und verstärkenden Materialien
wie zum Beispiel Rußschwarz.
-
Der Reifen kann mit verschiedenen Verfahren, die dem Fachmann ohne
weiteres offensichtlich sein werden, gebaut, geformt, modelliert
und vulkanisiert werden.
-
In der Praxis der vorliegenden Erfindung kann die Lauffläche aus
Polymermischung mit verschiedenen Kautschukzusammensetzungen für
Reifenkarkassen-Träger integral und daran anhaftend (damit
Schwefel-covulkanisiert) sein. Typischerweise ist eine solche
Kautschukzusammensetzung beispielsweise mindestens eine aus einem
Butadien/Styrol-Copolymer-Kautschuk, cis-1,4-Polyisopren
(Naturoder synthetischer Kautschuk) und 1,4-Polybutadien.
-
In der weiteren Praxis der Erfindung kann die Lauffläche
typischerweise beim Bauen des Reifenrohlings angewandt werden, bei
dem die unvulkanisierte, geformte Lauffläche auf die Karkasse
aufgesetzt wird, worauf der Reifenrohling geformt und vulkanisiert
wird.
-
Alternativ kann die Lauffläche auf eine vulkanisierte
Reifenkarkasse aufgebracht werden, von der die vorherige Lauffläche
weggeschwabbelt oder weggeschliffen wurde, und die Lauffläche
darauf als Runderneuerung aufvulkanisiert werden.
-
In der Praxis dieser Erfindung ist der Acrylnitril-Copolymer-
Kautschuk ein besonders erstrebenswertes und notwendiges Merkmal
der Kautschuklauffläche. Die genaue Struktur eines derartigen
Kautschuks werden möglicherweise nicht völlig verstanden, obwohl
die Acrylnitril-Einheiten im Kautschuk statistisch, im Block oder
konisch vorliegen können. Es wurde beobachtet, daß sein Einschluß
in der Kautschukmischung einer Reifenlauffläche einem Reifen
verbesserte Eigenschaften als eine wünschenswerte Kombination von
Rollwiderstand, Griffigkeit und Laufflächenabnutzung verlieh.
-
Der Isopren/Acrylnitril-Kautschuk kann vollständiger als ein durch
Emulsionspolymerisation hergestelltes statistisches Copolymer
beschrieben werden.
-
Zwar ist der Beitrag verschiedener Elemente oder Komponenten einer
Zusammensetzung nicht immer völlig klar, doch glaubt man, daß eine
wichtige und bedeutende Komponente der Mischung der
Isopren/Acrylnitril-Kautschuk und Butadien/Acrylnitril-Kautschuk
ist, der offensichtlich zusammen mit dem/den übrigen Kautschuk(en)
einzigartige viskoelastische Eigenschaften liefert.
-
Es wurde beobachtet, daß Reifen mit erfindungsgemäßen Laufflächen
eine verbesserte Laufflächenabnutzung lieferten, während sie gute
Bodenhaftung beibehielten. Es wurde daher beobachtet, daß die
wesentlich höhere Konzentration an cis-1,4-Polybutadienkautschuk
als hauptsächlichem und größerem Kautschukbestandteil eine
Lauffläche für einen Gummi-Luftreifen bereitstellt, die ihn von der
im oben genannten US-Patent Nr. 4 894 420 offenbarten
Laufflächenzusammensetzung unterscheidet.
-
Die Praxis der vorliegenden Erfindung wird durch Bezugnahme auf die
folgenden Beispiele, die eher repräsentativ als den Umfang der
Erfindung einschränkend sein sollen, weiter erläutert. Sofern nicht
anders angegeben, sind alle Teile und Prozente als Gewichtsteile
und -prozente zu verstehen.
BEISPIEL I
-
Ein aus Mischungen von cis-1,4-Butadienkautschuk,
Isopren/Acrylnitril-Copolymer (IAR) mit einem Isopren/Acrylnitril-
Verhältnis von etwa 70/30 und Naturkautschuk (hierin als Compound
X gekennzeichnet) zusammengesetzter Kautschukcompound umfaßte die
in Tabelle 1 gezeigte Rezeptur.
Tabelle 1
Material
Teile (gerundete Werte)
Compound X
Naturkautschuk
cis-1,4-Polybutadienkautschuk
IAR (70/30)
Weichmacheröl
Antiabbaumittel
Stearinsäure
Rußschwarz/Siliciumdioxid (Verhältnis 35/15)
Zinkoxid
Schwefel
Beschleuniger
Tabelle 2
Eigenschaft¹
Compound X
Heiß-Rückprallelastizität
Kalt-Rückprallelastizität
Härte (25ºC)
Strebler-"Eigen"-Adhäsion (Reißen) (Newton)
Zugfestigkeit (MPa)
tan.delta (0º)
tan.delta (60º) mit Rheometrics-Testgerät
1. Eigenschaften durch herkömmliche Kautschukverfahren bestimmt.
BEISPIEL II
-
Luftreifen herkömmlicher Bauart (gerillte Lauffläche, Seitenwände,
mit Abstand angeordnete Wulste und tragende, gewebeverstärkte
Karkasse) wurden in einer herkömmlichen Reifenform gebaut, geformt
und vulkanisiert. Die Lauffläche wurde als vorextrudiertes Element
auf die unvulkanisierte Karkasse aufgebaut. Die Reifen waren PKW-
Reifen der Bauart P235/75R15 und sind hierin als Reifen YY
identifiziert.
-
Der Versuchsreifen YY wies einen aus Compound X von Beispiel 1
zusammengesetzten Laufflächenoberteil auf.
-
Der Reifen wurde auf ein Felge montiert, aufgepumpt und Tests
unterzogen. Die Testwerte wurden zur repräsentativen Bewertung im
Vergleich mit einem herkömmlicheren ähnlichen Reifen ohne den
Isopren/Acrylnitril-Kautschuk in seiner Lauffläche auf einen Wert
von 100 normalisiert.
-
Der Reifen YY mit der Zusammensetzung X als seinem
Laufflächenoberteil zeigte eine verbesserte Laufflächenabnutzung,
während er gute Griffigkeit lieferte.
-
Tabelle 3 veranschaulicht die durchschnittlichen Werte für
Laufflächenabnutzung und Griffigkeit bei Nässe beim Versuchs reifen
YY verglichen mit Werten des herkömmlicheren Reifens, auf 100
normalisiert.
Tabelle 3
Gemessene Werte¹
Reifen YY
Griffigkeit
Laufflächenabnutzung
(verbessert)
1. Gemessen mit herkömmlichen Reifentestverfahren.
-
Die Griffigkeitsprüfung war ein Standartest, bei dem die Reifen auf
gegenüberliegende Seiten eines beladenen, bei verschiedenen
Geschwindigkeiten gezogenen Anhängers montiert werden und die
Bremsen des Anhängers betätigt und die Schleuderkraft (Spitze und
Ausgleiten) gemessen werden.
-
Für die Laufflächenabnutzung wurden die Reifen auf Felgen montiert,
aufgepumpt und die resultierenden Reifen/Felgen-Montageeinheiten
an Fahrzeugen angebracht und die Fahrzeuge laufen gelassen, wobei
die Tiefe der Laufflächen-Rillen periodisch gemessen und mit einem
herkömmlichen Reifen ähnlicher Größe und Bauart verglichen wurden.
Die Testreifen zeigten einen durchschnittlichen Vergleichswert von
113.
-
In diesem Beispiel ist der Isopren/Acrylnitril-Kautschuk durch
Emulsionspolymerisieren von Isopren und Acrylnitril hergestellt.
Er wird als statistisches Copolymer betrachtet. Der Butadien/
Acrylnitril-Kautschuk wird ähnlich hergestellt und es wird
erwartet, daß er ähnliche Ergebnisse liefert.
-
Zwar wurden zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt,
doch wird es für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich
sein, daß verschiedene Anderungen und Modifikationen daran
vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung
abzuweichen.